声参量阵风速测试理论建模及仿真分析

摘要

目前风速风向测试技术中大多使用超声波信号作为测风系统输入来进行风速风向参数实验,但超声波信号频率较高,在空气中的衰减较快,并不能够很好的适用于远距离、大范围的风速风向测量;相对于超声波信号来说,声参量阵信号——新型声源系统,它可以产生具有高指向性的低频可听声,基于这一优势特性,声参量阵技术更易于适用于恶劣环境、大范围中的风速风向测量,在风速风向测试中,将会发挥重要的作用,发展声参量阵测风速技术势在必行。本文是在空间大范围环境中,探讨利用声参量阵技术测试风速风向的问题,就测风系统建模问题进行理论分析以及实验仿真。
　　针对声参量阵可以产生具有高指向性可听声的特性,本文提出建立声参量阵风速测试系统,将声参量阵信号置于风速风向数据处理模块之前,利用声参量阵的优势特性提高测风系统的准确性。通过Matlab仿真证明该系统的可行性,并在DSP平台实验验证系统的有效性,同时对实现的算法性能进行仿真分析和改进。
　　为了建立声参量阵风速风向测试系统,本文对声参量阵的工作原理进行详细的阐述,并对声参量阵系统进行仿真,以便于测风系统的建模。然后重点讨论时差法理论在风速测试系统中的应用,并采用互相关时延估计算法与时差法测风原理相结合建立声参量阵测风模型,验证该模型的可行性。
　　在声参量阵测风系统建模的同时,利用时差法测风原理、采用互相关时延估计算法建立超声波风速风向测试系统模型,重点比较两种测风系统的性能,通过Matlab仿真分析系统模型的测量精度、测距范围等系统性能参数,实验证明声参量阵测风系统测量精度更高、更能够适用于远距离测速。
　　最后根据理论推导分析和实验仿真建模,利用 DSP平台测试声参量阵风速风向测试系统,验证声参量阵测风系统的可行性、有效性,并给出系统实现的仿真流程,分析互相关时延估计算法实现过程,同时搭建其相关的实验测试平台。实验测试结果表明,本文所设计的风速风向测试系统能够有效的利用声参量阵能够产生低频、高指向性声频信号的优势特性,在大范围测风方面比以往的测风技术具有更高的精确度。

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第一章 绪 论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 声参量阵和声波风速风向测试技术的研究现状

1.3 本论文的目标及研究内容

1.4 本论文的组织结构

第二章 声参量阵理论研究和风速风向测试方法分析

2.1 超声波风速理论研究及测试方法分析

2.2 风速风向测试参数分析

2.3 声参量阵基本理论分析

2.4 本章小结

第三章 风速风向测试系统理论建模与仿真分析

3.1 风速模拟系统的理论建模及仿真分析

3.2 风速风向系统建模算法分析和风速计算

3.3 超声波风速风向测试系统建模

3.4 声参量阵风速风向测试系统建模

3.5 本章小结

第四章 风速风向测试系统设计

4.1 风速测试系统结构设计

4.2 风速风向测试系统输入信号特性分析

4.3 风速风向测试系统总体功能设计要求

4.4 本章小结

第五章 风速风向测试系统实验测试和结果分析

5.1 系统测试实验环境构建

5.2 实验测试和结果分析

5.3 本章小结

第六章 全文总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果